盾构掘进过程数值模拟方法研究及应用

摘要

在城市地下空间建设中,盾构法由于其安全性、快速性、经济性成为隧道建设的首选。然而,盾构法施工过程包含了复杂的物理力学作用,如何准确预测地表沉降、开挖面稳定性、构筑物安全性、盾构姿态、盾构刀盘扭矩等关键因素,以及如何分析各参数的相互作用关系,成为当前盾构法安全性研究领域极为困难而又必须的工作。
　　 本文在将盾构掘进的连续稳态过程离散成逐步稳态过程的基础上,详细考虑并分析了盾构-土体-构筑物这一系统中的各影响因素,针对盾构法施工过程的宏观稳态特性与局部刀盘切削的动态特性,提出了盾构掘进过程的细致模拟方法,实现了对盾构法施工关键因素的预测及对各参数相互作用关系的分析,并将这一方法在大型盾构隧道工程领域得到了验证及应用。
　　 盾构掘进过程中的宏观特性是盾构法施工的重要研究内容,通过对盾构法施工过程中,盾构结构参数、工作参数、环境构筑物因素以及施工因素的完整性考虑,建立了盾构-土体-构筑物系统的细致三维有限元模型,提出了盾构稳态掘进过程的数值模拟方法。针对南京长江隧道工程,实现了对地表隆沉、长江大堤隆沉、开挖面稳定性、盾构姿态等宏观特性的预测。通过对盾构自重分布、机身结构坡度、推进力大小及分布、盾构超挖、长江大堤自重及刚度的影响模拟,扩大了在盾构选型、结构设计、参数匹配、构筑物安全性预测领域的应用。
　　 除宏观特性外,盾构掘进过程的局部动态特性是另一项重要研究内容,特别是盾构刀盘的动态切削过程,无论对刀盘结构受力或对开挖面土层稳定性都具有重要影响。为了研究刀盘与土体之间的动态相互作用关系,提出了刀盘切削土体的三维动态数值模拟方法。解决了土体大变形、失效面的客观形成、切屑自然流动等难点问题。实现了对多尺度模型的缩减、模型精细度的确定及地层应力场的初始化。通过在大型模型盾构掘进试验平台的应用与验证,得到了刀盘结构的动力学响应,探讨了模型网格精细度对结果精度的影响,分析了刀盘扭矩、转速、加速度、土体强度参数之间的作用关系,为基于动荷载的刀盘结构设计与刀盘选型提供一定的参考。
　　 大量研究表明,盾构法施工改变了地层的原始应力状态,形成了扰动地应力场,直观表现为地表隆沉。该扰动地应力场必然对刀盘结构动态受力与开挖面动态稳定性产生了重要影响。因此,提出了盾构稳态掘进与刀盘动态切削的联合数值模拟方法。将盾构稳态掘进数值模拟形成的扰动地应力场作为研究开挖面动态稳定性与刀盘动态切削特性的外部边界条件,反映了盾构法施工的实际工况。利用子模型方法协调了模型网格精细度,控制了扰动地应力场传递的精度。通过在上海崇明越江隧道工程试验段中的应用与验证,得到了扰动地应力场分布以及刀盘扭矩的变化关系,为刀盘土层适应性研究、刀盘工作参数控制提供了方法参考。
　　 针对盾构掘进过程数值模拟的超大计算量需求,研究了SMP与DMP并行计算平台下,盾构稳态掘进过程数值模拟的并行计算效率以及盾构刀盘切削土体动态模拟的最佳并行分区策略。研究结果显示:针对盾构稳态掘进过程数值模拟中,迭代法计算效率远大于直接法,其中以AMG、PCG并行算法求解速度最快,DPCG的最佳求解CPU数为12；针对盾构刀盘切削土体动态模拟中,ALE网格单元处理是影响计算时间的主导因素,其次是动态耦合接触,基于RCB分区方法的矩形体分区策略达到了最佳并行计算效率。

目录

文摘

英文文摘

上海交通大学博士学位论文答辩决议书

第一章 绪论

1.1 研究背景和意义

1.2 盾构掘进技术发展现状

1.3 盾构掘进性能及其数值模拟研究的发展现状

1.3.1 盾构掘进性能的研究对象及研究方法

1.3.2 盾构掘进过程数值模拟研究现状

1.3.3 刀盘切削土体过程数值模拟研究现状

1.4 大规模并行数值模拟方法简述

1.5 本文课题来源和主要研究内容

1.5.1 课题来源

1.5.2 主要研究内容

第二章 盾构稳态掘进过程数值模拟方法及应用

2.1 引言

2.2 盾构及地层相互作用机理分析

2.2.1 地层隆沉机理分析

2.2.2 盾构掘进姿态稳定性分析

2.3 盾构稳态掘进数值模拟方法及理论

2.3.1 刚度迁移法

2.3.2 弹塑性土体本构

2.3.3 地应力场初始化方法

2.3.4 盾构与土体自适应接触算法

2.3.5 多点约束(MPC)建模方法

2.3.6 盾构掘进离散方法

2.3.7 机身坡度及刀盘超挖模拟

2.3.8 开挖面泥水压力模拟

2.3.9 刀盘切削作用模拟

2.3.10注浆材料时空变化特性模拟

2.3.11拖车移动载荷加载

2.3.12盾构推进力模拟

2.3.13有限元模型及边界荷载施加

2.4 南京长江隧道工程应用

2.4.1 工程计算参数

2.4.2 模型建模及边界条件

2.4.3 结果分析

2.5 本章小结

第三章 盾构刀盘切削土体动态数值模拟方法及应用

3.1 引言

3.2 盾构刀盘与刀具

3.2.1 盾构机工作原理

3.2.2 刀盘与刀具

3.2.3 刀盘切削特点

3.3 基于ALE方法的刀盘切削土体动态数值模拟方法

3.3.1 动态显式时间积分算法

3.3.2 ALE理论方法

3.3.3 动态耦合接触算法

3.3.4 非线性土体本构模型

3.3.5 地层模型缩减及应力初始化

3.3.6 多尺度网格精细度确定

3.3.7 刀盘切削土体的数值模拟方案

3.4 大型盾构模型试验应用

3.4.1 工程概况

3.4.2 物理模型试验平台介绍

3.4.3 试验工况及参数

3.4.4 模型建模及边界条件

3.4.5 结果分析及方法验证

3.5 本章小结

第四章 盾构稳态掘进与动态切削的联合模拟方法及应用

4.1 引言

4.2 盾构稳态掘进及动态切削的联合数值模拟方法

4.2.1 子模型方法的应用

4.2.2 联合数值模拟方案

4.3 上海崇明越江隧道工程应用

4.3.1 工程计算参数

4.3.2 模型建模及边界条件

4.3.3 结果分析及方法验证

4.4 本章小结

第五章 并行计算技术及其应用

5.1 引言

5.2 并行计算环境

5.2.1 并行计算环境的发展

5.2.2 曙光4000A超级计算机

5.3 盾构稳态掘进过程数值模拟的并行计算

5.3.1 并行数值计算方法

5.3.2 并行计算效率分析

5.4 盾构刀盘切削土体动态数值模拟的并行计算

5.4.1 RCB并行分区方法

5.4.2 并行计算效率分析

5.5 本章小结

第六章 结论与展望

6.1 工作总结

6.2 主要创新点

6.3 研究展望

参考文献

致谢

攻读博士学位期间完成论文及参与课题情况